[发明专利]一种获取机床部件最佳体积比的方法

说明书

根据本发明所涉及的一种获取机床部件最佳体积比的方法，因为建立机床动力学模型，将机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入机床的动力学方程，得到表征刀尖点的空间位移量与质量值关系的刀尖位移‑质量关系曲线，选取刀尖位移‑质量关系曲线中对应刀尖点位移最小的机床部件特征质量值作为最优质量值，进而得到机床部件最佳质量比，而通过最佳质量比能得到机床部件进行拓扑优化设计是所需的最佳体积比。所以，本发明基于动力学理论完成机床最佳质量计算，并将计算结果直接用于机床部件结构的拓扑优化设计当中，提出了一种获取机床部件最佳体积比的方法。

技术领域

本发明属于机床设备领域，具体涉及一种获取机床部件最佳体积比的方法。

背景技术

拓扑优化设计作为一种提高部件刚度减轻部件质量的方法被广泛应用于结构设计领域中。拓扑优化设计的约束条件中的最佳体积比目前常用的限定方法是人为限定一个百分比，对于这个百分比，以往领域中没有明确且有理论依据的计算方法。

在机床结构设计中，单部件的质量没有进行过精确的设计，通常是结构设计后，直接计算出质量，对于质量及其对动特性的影响没有进行详细的计算分析。

发明内容

本发明是为了解决上述两个问题而进行的，目的在于提供一种获取机床部件在设计空间中的最佳体积比的方法，用于获得对机床部件进行拓扑优化设计时所需的部件最佳体积比。

本发明提供了一种获取机床部件最佳体积比的方法，具有这样的特征，包括：

步骤S1，获取单个机床部件的特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值；

特征质量值为机床部件的整体质量值，

特征阻尼值为机床部件与其他机床部件结合面的阻尼值，

特征刚度值为机床部件与其他机床部件结合面的刚度值；

步骤S2，通过对包含机床部件的机床的刀尖点施加特定力构建动力学方程表达式1，

其中M为机床部件的特征质量值；C为机床部件的特征阻尼值，K为机床部件的特征刚度值，X为机床的刀尖点的空间坐标位移量，F(t)为特定力的值，为X的一阶导数，为X的二阶导数；

步骤S3，将特征质量值、特征阻尼值及特征刚度值代入步骤S2中的表达式1，得到表征刀尖点的空间位移量与特征质量值之间关系的刀尖位移-质量关系曲线；

步骤S4，根据刀尖位移-质量关系曲线，得到使刀尖点的空间坐标位移量最小的特征质量值，将该特征质量值作为优化质量值；

步骤S5，根据优化质量值得到部件的最佳质量比，并根据最佳质量比得到部件进行拓扑优化所需的最佳体积比。最佳质量比为优化质量值与部件设计空间的最大质量值的比值，部件设计空间的最大质量值由机床设计允许的部件的最大体积决定。

在本发明提供的获取机床部件最佳体积比的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S2中，特定力为随时间变化的等幅变频的作用力。

在本发明提供的获取机床部件最佳体积比的方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S4中，包括以下子步骤：

步骤S4-1，对刀尖位移-质量关系曲线进行观察：

当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为可改善曲线，应对机床部件进行优化，

当刀尖点空间坐标位移量随着特征质量值数值改变呈现无规律性变化，刀尖位移-质量关系曲线为不可改善曲线，不必对机床部件进行优化；

步骤S4-2，根据可改善曲线选取使加工中心刀尖点位移量最小的特征质量值作为部件的优化质量值。